GTB, signaux et supervision

Une gestion technique du bâtiment (GTB) ne produit ni chaleur ni froid. Elle lit des grandeurs physiques sous forme de signaux électriques, décide, commande, compte et garde la trace de ce qui s'est passé. Elle vaut ce que vaut sa chaîne de mesure : une sonde mal raccordée ou une échelle mal saisie donnent une installation qui obéit fidèlement à une valeur fausse. Ce chapitre câble la GTB du plateau de bureaux de référence, de la sonde au bornier, du bornier à l'écran.

67.1 Ce qu'une GTB fait, et ce qu'elle ne fait pas

Sur le plateau, la GTB pilote trois installations déjà décrites : la centrale d'air neuf de 5 000 m³/h (chapitre 42), la chaufferie de deux chaudières, 72,2 kW utiles en régime 45/35 °C (chapitre 65), et la production d'eau glacée autour d'un groupe de 120 kW (chapitre 51). Ses fonctions tiennent en six verbes. Elle commande : marche des ventilateurs et des pompes, autorisation des chaudières. Elle régule : températures, pressions, débits (chapitre 57). Elle surveille : défauts, colmatage, écarts à la consigne. Elle compte : énergie, eau, heures de marche (chapitre 74). Elle alerte la bonne personne avec un message qui dit quoi faire. Elle archive des tendances pour comprendre après coup.

Elle ne remplace pas les sécurités câblées : le thermostat antigel de la batterie chaude (chapitre 36), l'arrêt d'urgence de la chaufferie ou la détection de gaz coupent en direct, et la GTB n'en reçoit qu'un report. Elle ne corrige pas une installation mal conçue ou mal équilibrée : elle en affiche les symptômes. Et une alarme que personne ne lit n'a aucun effet.

67.2 Trois niveaux

La série EN ISO 16484, consacrée aux systèmes d'automatisation et de gestion technique du bâtiment, décrit trois niveaux. Le niveau terrain rassemble capteurs et actionneurs : sondes, pressostats, servomoteurs, contacts de défaut, compteurs. Le niveau automatisme est celui des automates, en armoire près des installations : ils lisent les entrées, exécutent régulations et séquences, écrivent les sorties. Le niveau gestion est la supervision : postes d'exploitation, historiques, alarmes, rapports. La règle de l'art place l'intelligence au plus près du procédé : l'automate de chaufferie tient sa loi d'eau même si la supervision tombe, et la supervision ajuste des consignes sans fermer les boucles rapides.

67.3 Signaux : du phénomène au nombre

Un automate reçoit quatre familles de points câblés. Une entrée tout ou rien (ET) lit un contact : défaut de pompe, pressostat, fin de course. Une sortie tout ou rien (ST) ferme un relais. Une entrée analogique (EA) lit une tension, un courant ou une résistance. Une sortie analogique (SA) envoie une consigne continue, le plus souvent en 0-10 V, à un servomoteur de vanne (chapitre 24) ou à un variateur. Une cinquième famille passe par un bus (section 67.5).

Un transmetteur donne l'un des deux signaux normalisés, 0-10 V ou 4-20 mA, proportionnel à la grandeur entre deux bornes d'échelle :

Le 4-20 mA porte un zéro vivant : le bas d'échelle vaut 4 mA. Un fil coupé fait tomber la boucle à 0 mA, valeur impossible en service, que l'automate reconnaît comme un défaut de capteur. L'usage, issu de la recommandation NAMUR NE 43, réserve 3,8 à 20,5 mA à la mesure et traite comme défaut tout courant sous 3,6 mA ou au-dessus de 21 mA. En 0-10 V, un fil coupé se lit 0 V, le bas d'échelle : une valeur plausible. Et la résistance des fils ne fausse pas un courant.

L'automate convertit le signal en un entier par un convertisseur de n bits, dont la plus petite marche, le quantum, vaut la pleine échelle de l'entrée divisée par 2ⁿ :

Les sondes passives se lisent sans transmetteur. Une résistance de platine suit la relation de Callendar-Van Dusen de l'IEC 60751:2022 : une Pt1000 vaut 1 000 Ω à 0 °C, 1 077,9 Ω à 20 °C, et gagne 3,885 Ω par kelvin ; sa classe de tolérance B admet ±0,40 K à 20 °C. Une thermistance (CTN de 10 kΩ à 25 °C) varie bien plus, −4,44 % par kelvin, soit −444 Ω/K, mais suit une courbe exponentielle propre à chaque modèle, fixée par son paramètre B. Les compteurs simples donnent des impulsions, que l'automate totalise sur une entrée rapide.

Exemple 1 : la sonde de soufflage. En hiver, la loi de soufflage de la centrale demande 20,0 °C. La sonde est un transmetteur 4-20 mA réglé de 0 à 50 °C ; l'entrée de l'automate mesure de 0 à 20 mA.

1. Signal : I = 4 + 16 × 20 / 50 = 10,40 mA. En 0-10 V sur la même échelle : 4,00 V.
2. Quantum en 12 bits : 20 mA / 4 096 = 4,883 µA, soit 4,883 × 50 / 16 = 0,0153 K. En 16 bits : 0,305 µA et 0,0010 K.
3. En 0-10 V : 2,441 mV et 0,0122 K en 12 bits, 0,153 mV et 0,0008 K en 16 bits.
4. Pt1000 lue en direct sur une entrée de 0 à 2 000 Ω : 0,1257 K en 12 bits, 0,0079 K en 16 bits.
5. En 12 bits, le quantum d'une entrée 4-20 mA est 26 fois plus petit que la tolérance d'une sonde de classe B à 20 °C. La limite est la sonde, son câblage et son échelle, presque jamais la conversion.

L'échelle, justement. Un transmetteur réglé de −20 à +80 °C, déclaré 0 à 50 °C dans l'automate, donne une lecture égale à 0,5 t + 10 : juste à 20,0 °C seulement, donc invisible lors d'un essai à la température du local. Par 17 °C dehors, la loi demande 18,0 °C ; l'automate lit 18,0 °C quand l'air sort à 16,0 °C. Au débit de la centrale, ces 2 K valent 3,42 kW de froid en trop ou de chaleur en moins. En été, la consigne de 16,0 °C donne un air à 12,0 °C, et 6,83 kW de batterie froide en trop. Une température de 30 °C s'affiche 25,0 °C.

67.4 Câbler sans fausser

Sondes passives en deux fils. Un conducteur de cuivre de 0,75 mm² long de 50 m oppose 1,149 Ω. La résistance de la boucle, 2,299 Ω pour 50 m de câble, s'ajoute à celle de la sonde : l'automate lit 0,59 K de trop avec une Pt1000, 5,9 K avec une Pt100. D'où la règle de l'art : Pt100 en trois ou quatre fils, Pt1000 en deux fils sur de courtes longueurs ou avec correction de ligne. La thermistance ne craint guère le câble (0,0052 K ici), mais une courbe de paramètre B 3 435 K lue avec un B de 3 950 K donne 3,02 °C à 0 °C et 20,64 °C à 20 °C : la sonde de remplacement doit avoir la courbe déclarée.

Commun partagé en 0-10 V. Un transmetteur trois fils renvoie son courant d'alimentation par le 0 V. Si ce conducteur est commun à plusieurs appareils, sa chute de tension s'ajoute au signal. Sur 80 m, 1,839 Ω, 15 mA décalent la mesure de 27,6 mV : 0,28 % HR, ou 0,138 K sur une échelle de 0 à 50 °C. Quatre transmetteurs sur le même commun font 0,55 K. Le 0 V de mesure se câble en étoile, à part du 0 V des servomoteurs.

Boucles 4-20 mA. Un transmetteur deux fils prend son énergie dans la boucle, qui doit lui laisser sa tension minimale au courant maximal :

Sous 24 V, pour un transmetteur qui demande 12 V, une entrée de 250 Ω et 22 mA au plus, la ligne peut atteindre 295,5 Ω, soit 6 426 m de câble de 0,75 mm². C'est l'empilement des résistances d'entrée et d'indicateurs dans une même boucle qui limite, rarement la longueur.

Blindage et cheminement. Les signaux faibles passent en paires torsadées blindées, blindage mis à la terre d'un seul côté, à l'armoire, pour qu'aucun courant n'y circule. Ils ne partagent pas le chemin de câbles des câbles de puissance des variateurs, et les croisent à angle droit. Chaque câble et chaque borne portent un repère qui renvoie à la liste de points.

67.5 Bus et protocoles ouverts

Un appareil qui sait communiquer passe par un bus : un seul câble porte des dizaines de valeurs, avec leurs unités et leurs états. Quatre protocoles ouverts couvrent l'essentiel. BACnet, partie 5 de la série EN ISO 16484, est le protocole de la GTB : il décrit des objets (entrée, sortie, consigne, calendrier, alarme, historique) sur IP ou sur liaison série. Modbus lit et écrit des registres numérotés, qui n'ont de sens qu'avec la table de l'appareil : quel registre, quelle échelle. KNX (EN 50090, ISO/IEC 14543-3) domine l'éclairage, les stores et la régulation pièce par pièce. M-Bus (série EN 13757) relève les compteurs d'énergie et d'eau.

Une passerelle traduit un protocole dans un autre ; c'est souvent le maillon faible : table de correspondance périmée, valeur figée prise pour une mesure. Chaque appareil d'un bus a une adresse unique, fixée par un plan d'adressage écrit avant les essais. Un point de bus a son alarme : un compteur muet depuis 15 minutes doit se voir.

Cybersécurité de base. Une GTB est un réseau informatique qui commande des machines ; la série IEC 62443 en fixe le cadre. Les règles de base : réseau de la GTB séparé de la bureautique par un pare-feu ; aucun mot de passe d'usine ; un compte par personne, aux droits limités ; accès distant chiffré, authentifié, ouvert seulement au besoin et tracé ; logiciels tenus à jour.

67.6 La liste de points

La liste de points est le document central d'une GTB. On la construit en suivant les schémas de principe (chapitre 65) organe par organe : chaque capteur, commande, retour d'état et compteur devient une ligne, avec un nom, une désignation, un type, un signal, une unité, une échelle et, s'il y a lieu, un seuil d'alarme, une temporisation et une priorité.

Le nom suit une règle fixe, lisible et triable : installation, organe, grandeur. CTA.SOUF.T est la température de soufflage de la centrale, CTA.F2.PRS le pressostat du filtre à poches, CHA.PRES la pression de l'installation de chauffage. Le seuil se tire de l'installation : cette pression passe en alarme sous 0,60 bar, quand la réserve du vase est consommée, et au-dessus de 2,5 bar, pression maximale de service sous la soupape à 3 bar (chapitre 25). La temporisation sépare un dépassement réel d'une pointe passagère : un soufflage hors de 10 à 35 °C ne sonne qu'après 5 minutes, un filtre à 300 Pa après 10 minutes. La priorité sépare ce qui appelle l'astreinte la nuit (défaut du groupe, détection de gaz) de ce qui attend le lendemain (filtre à changer).

Déduite des schémas des trois installations du plateau, la liste compte :

Soit 77 points câblés et 38 points de bus : compteurs d'énergie en M-Bus, compteurs électriques en Modbus, douze grandeurs du groupe lues par son interface BACnet. Les régulateurs des cent ventilo-convecteurs ajoutent six points chacun, 600 points : 715 en tout, dont 42 portent une alarme.

Exemple 2 : combien de cartes. L'automate d'exemple reçoit des cartes de 16 entrées tout ou rien, ou de 8 voies pour les autres types. Le cahier des charges demande 20 % de réserve, un usage courant (10 à 25 % selon les cas).

1. Entrées tout ou rien : 27 × 1,2 = 32,4 voies, 3 cartes de 16, 48 voies, 21 libres.
2. Sorties tout ou rien : 15 × 1,2 = 18,0 voies, 3 cartes de 8, 24 voies, 9 libres. Sorties analogiques : de même, 9 libres.
3. Entrées analogiques : 20 × 1,2 = 24,0 voies, 3 cartes de 8, 24 voies, 4 libres. La réserve est tout juste tenue : un capteur de plus au chantier, et elle passe sous 20 %.
4. En tout, 12 cartes. La réserve se compte par type : des entrées tout ou rien libres n'accueillent pas une sonde.

67.7 Fonctions

Horloges et calendriers. La centrale ne tourne qu'aux heures d'occupation, avec une relance avant l'arrivée des occupants ; le calendrier porte jours fériés et fermetures. Lois d'eau et de soufflage. Le départ de la chaufferie suit la température extérieure (chapitre 65) ; le soufflage de la centrale passe de 20 °C sous 12 °C dehors à 16 °C au-dessus de 22 °C (chapitre 42). Régulation. Chaque boucle a son réglage (chapitre 57). Délestage. Au-delà d'une puissance souscrite, la GTB réduit des usages dans un ordre convenu, jamais une sécurité. Comptage et sous-comptage. Le plateau porte un compteur par production et par batterie, que le chapitre 74 exploite.

Historiques. La GTB archive chaque point à pas fixe ou sur variation. Le pas se choisit par le phénomène, avec au moins deux échantillons par période. Une chaudière qui cycle toutes les 6 minutes ne se voit qu'avec un pas de 3 minutes au plus ; au pas de 15 minutes, ses cycles disparaissent et la courbe paraît calme.

Exemple 3 : le volume des archives. Chaque échantillon occupe 16 octets, sans compression : horodatage, valeur, état.

1. Pas de 10 minutes : 365 × 24 × 6 = 52 560 échantillons par point et par an.
2. Les 35 points analogiques (20 EA et 15 SA) : 35 × 52 560 × 16 octets = 29,4 Mo par an.
3. Avec les points de bus et les ventilo-convecteurs, 673 points : 566,0 Mo par an, 2,83 Go sur cinq ans.
4. Au pas d'une minute, 525 600 échantillons par an : 5 659,7 Mo par an pour tous les points ; au pas de 15 minutes, 377,3 Mo.

Le stockage ne coûte presque rien ; un pas trop long efface les phénomènes qu'on cherchera plus tard. On archive les points rapides à la minute, le reste à 10 ou 15 minutes, et l'on garde plusieurs années pour comparer les saisons.

67.8 Classes d'automatisation

L'EN ISO 52120-1:2022 range les fonctions d'automatisation en quatre classes : D, sans automatisation efficace ; C, la référence, aux fonctions de base ; B, gestion avancée ; A, haute performance, qui adapte le fonctionnement à la demande. Elle associe à chaque classe des facteurs qui multiplient la consommation calculée en classe C, pour la chaleur et pour l'électricité, selon le type de bâtiment. Ce chapitre n'en reprend que le principe, avec des facteurs ronds pris comme ordres de grandeur : D 1,40 sur la chaleur et 1,15 sur l'électricité, B 0,85 et 0,95, A 0,75 et 0,90.

Exemple 4. La première année, le plateau consomme 56 877 kWh PCS de gaz et, pour les usages climatiques, 29 378 kWh d'électricité (ventilation 9 805, froid 18 008, pompes 1 566 kWh) sur 121 473 kWh en tout. Supposé en classe C, aux prix d'exemple de 0,085 €/kWh pour le gaz et 0,170 €/kWh pour l'électricité, il dépense 9 829 € par an pour ces usages.

1. Classe B : 48 346 kWh de gaz, 27 909 kWh d'électricité, 8 854 €, soit 975 € de moins par an.
2. Classe A : 42 658 et 26 440 kWh, 8 121 €, 1 708 € de moins.
3. Classe D : 79 628 kWh de gaz, 22 751 kWh de plus qu'en C, 12 512 €, 2 683 € de plus.
4. Pour un retour simple de dix ans, passer de C à B ne doit pas coûter plus de 9 749 €, de C à A plus de 17 081 €.

Une classe mesure des fonctions présentes ; elles n'économisent que si elles restent réglées et suivies, et l'économie annoncée se vérifie par la mesure (chapitre 76).

67.9 L'obligation française

Le code de la construction et de l'habitation (articles R175-1 à R175-6, issus du décret n° 2020-887 et modifiés depuis) impose un système d'automatisation et de contrôle aux bâtiments tertiaires dont le système de chauffage ou de climatisation, combiné ou non avec la ventilation, dépasse une puissance nominale utile de 290 kW, seuil abaissé à 70 kW par le décret n° 2023-259. Au-delà de 290 kW, les bâtiments existants devaient être équipés au 1^er janvier 2025. Entre 70 et 290 kW, ils s'équipent au renouvellement du système et au plus tard à une date que le décret de 2023 fixait au 1^er janvier 2027 et que la rédaction en vigueur de l'article R175-2 reporte au 1^er janvier 2030. Les bâtiments neufs y entrent selon la date de dépôt de leur permis de construire. Une dispense est possible si une étude montre qu'un temps de retour de moins de dix ans n'est pas atteignable. Le système doit notamment suivre les consommations par zone au pas horaire et en garder les valeurs mensuelles cinq ans (R175-3). Ces textes ont changé deux fois en cinq ans : on les relit sur Légifrance avant toute décision.

La puissance nominale utile est la puissance maximale garantie par le constructeur en marche continue ; des chaudières en réseau dans une même chaufferie s'additionnent, mais chauffage et climatisation s'apprécient séparément. Sur le plateau, les deux chaudières font 67,85 kW utiles en régime 80/60 °C et 72,2 kW en 45/35 °C : de part et d'autre du seuil selon la valeur déclarée retenue. Le groupe d'eau glacée lève le doute : avec 120 kW, la climatisation fait à elle seule entrer le bâtiment dans le champ de l'obligation, dans la tranche de 70 à 290 kW.

67.10 Mettre en service et exploiter

Essais point à point. Chaque point s'essaie de l'organe à l'écran : on chauffe la sonde ou on injecte un courant, et l'on vérifie la valeur affichée en deux points de l'échelle au moins, sans quoi l'erreur d'échelle de la section 67.3 passe. On ouvre chaque contact de défaut, on commande chaque sortie en regardant l'organe bouger, on déclenche chaque alarme jusqu'à son destinataire. Le procès-verbal ligne à ligne fait partie de la réception (chapitre 69).

Alarmes utiles. Une alarme doit être rare, juste et actionnable. Des centaines par jour apprennent à l'exploitant à toutes les ignorer, y compris la bonne. On supprime les cascades, on règle les temporisations, on masque les alarmes d'un équipement à l'arrêt, et l'on relit chaque mois celles qui sonnent le plus.

Diagnostic par les tendances. Les historiques racontent l'installation : une vanne qui pompe (chapitre 57), un filtre qui se colmate (chapitre 71), deux batteries chaude et froide qui travaillent ensemble, un écart d'eau glacée qui s'effondre. La conduite (chapitre 70) et la vérification des économies (chapitre 76) s'appuient sur eux.

Erreurs fréquentes. Une échelle mal saisie, invisible à 20 °C. Une sonde mal placée, trop près de la batterie ou au soleil. Une consigne forcée pendant la mise en service, puis oubliée. Des horloges jamais mises à jour. Une liste de points sans comptage. Un 0-10 V sur un commun partagé. Un mot de passe d'usine.

À retenir

• Une GTB commande, régule, surveille, compte, alerte et archive ; elle ne remplace pas les sécurités câblées.
• Le 4-20 mA porte un zéro vivant : un fil coupé devient un défaut visible ; en 0-10 V, une valeur plausible et fausse.
• En 12 bits, la conversion n'est presque jamais la limite : l'erreur vient de la sonde, du câblage et de l'échelle.
• Une échelle fausse peut être juste en un point : on vérifie en deux.
• La liste de points se tire des schémas ; chaque ligne a un nom, une unité, une échelle et, s'il le faut, un seuil, une temporisation et une priorité.
• Le pas d'archivage se choisit par le phénomène : deux échantillons au moins par période.
• Les classes d'automatisation donnent un ordre de grandeur ; seule la mesure confirme une économie.

Sources publiques : série EN ISO 16484 (systèmes d'automatisation et de gestion technique du bâtiment ; sa partie 5 décrit le protocole BACnet) ; EN ISO 52120-1:2022 (contribution de l'automatisation à la performance énergétique, principe des classes et des facteurs seulement) ; IEC 60751:2022 (relation de Callendar-Van Dusen et classes de tolérance des sondes à résistance de platine) ; IEC 60028:1925 (résistivité du cuivre de référence, 1/58 Ω·mm²/m) ; série EN 13757 (M-Bus) ; EN 50090 et ISO/IEC 14543-3 (KNX) ; spécification Modbus publiée par son organisation ; série IEC 62443 (sécurité des systèmes d'automatisation) ; recommandation NAMUR NE 43 (seuils de défaut d'une boucle 4-20 mA, citée comme usage) ; code de la construction et de l'habitation, articles R175-1 à R175-6, décrets n° 2020-887 et n° 2023-259, article R175-2 dans sa rédaction en vigueur depuis le 28 décembre 2025 (Légifrance) ; guide d'application du décret BACS du ministère chargé de la construction, version 2 de janvier 2026 (puissance nominale utile). Nombres : le modèle du cours, qui importe le modèle commun du cours.